Устройство вычислитель цузе данные угадай слово. Кто построил первый работающий компьютер? Лист патентной заявки на Z1

Конрад Цузе – немецкий изобретатель, один из основоположников современной вычислительной техники. Более всего известен как создатель первого программируемого (и полного по Тьюрингу) компьютера в мире.

Родился Конрад в Берлине, Германия (Berlin, Germany); позже семья его перебралась в Браунсберг, Восточная Пруссия (Braunsberg, East Prussia). В 1923-м семья Цузе вновь сменила место жительства, обосновавшись в Хойерсверде (Hoyerswerda); здесь Цузе прошел в 1928-м подготовку, получив право поступить в университет. Некоторое время Конрад изучал инженерное дело и архитектуру, однако вскоре эти области ему наскучили; в 1935-м Цузе получил диплом по жилищно-гражданскому строительству. Некоторое время он проработал в компании "Ford", где использовал свои выдающиеся таланты художника для разработки реклам. Впоследствии Конрад перебрался на авиастроительную фабрику "Henschel", где занимался уже проектированием инженерного толка. По долгу службы ему приходилось производить уйму довольно однообразных вычислений; процесс этот Цузе изрядно раздражал, пробуждая мечты об автоматизации.

Экспериментировать с компьютерами Цузе начал в 1935-м, в квартире своих родителей. Первая его разработка, модель Z1, была завершена в 1936-м; представляла она собой по сути механический калькулятор с ограниченными возможностями программирования.

В 1937-м Конрад получил 2 патента, во многом предвосхитившие дальнейшие работы фон Неймана (John von Neumann); к 1938-му он довел работы над Z1 до конца. Устройство это содержало около 30000 металлических частей и из-за неточности схождения деталей не всегда работало как следует. Первая модель была уничтожена 30 января 1944-го; позже, в период с 1987-го по 1989-й, Конрад восстановил свое творение.

В 1939-м Цузе был призван на службу в армию, где ему дали достаточно средств для создания Z2. Представил готовую версию он в сентябре 1940-го; она занимала несколько комнат во все той же квартире и была построена уже на телефонных реле.

Полученные правительственные субсидии позволили Конраду продолжить исследования; в 1941-м он закончил работу над версией Z3. Этот программируемый 22-битный калькулятор мог работать с вещественными числами, поддерживал циклические операции, имел встроенную память и построен был на все тех же реле (причем по большей части бракованных). Несмотря на отсутствие условных переходов, машина эта была тьюринг-полной (что, впрочем, самого Цузе особо не интересовало – изобретателем двигали скорее практические соображения, нежели научный интерес).

В 1942-м Цузе начал работу над Z4; после одного из авианалетов частично готовую машину вывезли из Берлина. Продолжить работу над компьютером удалось лишь в 1949-м; 12 июля 1950-го работы были завершены – причем машина оказалась впечатляюще надежной.

Конрад Цузе никогда не был членом нацисткой партии, однако и из-за необходимости работать на нацистскую военную машину никогда особо не переживал. Как заявил Цузе намного позже, лучшим ученым и инженерам всегда приходилось либо идти на сделку со своей совестью, участвуя в сомнительных с моральной точки зрения проектах, либо попросту забывать о работе по специальности.

Лучшие дня

Сергей Бобровский

Таким титулом награжден немецкий инженер , родившийся в 1910 г. и умерший в возрасте 85 лет (более подробно его биография описана в статье “Компьютерный музей”, PC Week/RE, № 9/98, с. 60).

В 30-х годах Цузе занимался проектированием самолетов в компании Henschel Aircraft и ему приходилось выполнять огромные объемы вычислений для определения оптимальной конструкции крыльев. В то время существовали только механические калькуляторы с десятичной системой счисления, и Цузе заинтересовала проблема автоматизации всего процесса вычислений, так как он вынужден был выполнять множество однообразных рутинных расчетов по заданной схеме. В 1934 г. Цузе придумал модель автоматического калькулятора, которая состояла из устройства управления, вычислительного устройства и памяти и полностью совпадала с архитектурой сегодняшних компьютеров.

В те годы Цузе пришел к выводу, что будущие компьютеры будут основаны на шести принципах:

• двоичная система счисления;
• использование устройств, работающих по принципу “да/нет” (логические 1 и 0);
• полностью автоматизированный процесс работы вычислителя;
• программное управление процессом вычислений;
• поддержка арифметики с плавающей запятой;
• использование памяти большой емкости.

Цузе оказался абсолютно прав. Он первым в мире сказал, что обработка данных начинается с бита (бит он называл да/нет-статусом, а формулы двоичной алгебры - условными суждениями), первым ввел термин “машинное слово” (word), первым объединил в вычислителе арифметические и логические операции, отметив, что “элементарная операция компьютера - проверка двух двоичных чисел на равенство. Результатом будет тоже двоичное число с двумя значениями (равно, не равно)”. При этом Цузе не имел никакого представления не только об аналогичных исследованиях коллег в США и Англии, но даже о механическом вычислителе Чарльза Бэббиджа, созданном в XIX веке.

В 1936 г. Цузе запатентовал идею механической памяти. Год спустя он создал работающую память для хранения 12 двоичных чисел по 24 бита и активно занялся созданием первой версии своего вычислителя, которую он сначала назвал Versuchsmodell-1 (V-1), но эта аббревиатура совпала с названием немецких ракет V1, и тогда он переименовал свое творение в Z1. Арифметический модуль мог работать с числами с плавающей запятой (фактически они состояли из двух чисел: одно представляло собой 16-разрядную мантиссу, другое - 7-разрядную экспоненту), осуществлял преобразования двоичных чисел в десятичные и обратно и поддерживал ввод и вывод данных. Устройство ввода программы с помощью перфорированной киноленты сделал Хельмут Шрейер, друг Цузе, который раньше работал киномехаником. Результаты расчетов показывались с помощью электрических ламп. Z1 был закончен в 1938 г. и работал неустойчиво из-за ненадежной механической памяти.

Трудами Цузе заинтересовалось руководство Института аэродинамических исследований третьего рейха. Они взялись финансировать работы над следующей моделью вычислителя Z2. В качестве более надежной элементной базы Конрад выбрал электромагнитные телефонные реле, единственные в то время устройства, пригодные для создания компьютера. Релейный Z2 был построен в апреле 1939 г. и успешно заработал, но Цузе призвали в армию, и хотя у него были очень влиятельные друзья, он отслужил год, прежде чем вернулся обратно в институт. Там он приступил к проектированию более мощной модели - Z3, потом снова был призван на фронт, но через короткое время вернулся в институт окончательно.

Цузе закончил Z3 5 декабря 1941 г. Ввод программы, представлявшей собой последовательность довольно мощных логических команд, по-прежнему происходил с перфорированной киноленты. Память Z3 позволяла хранить 64 слова (14 бит на мантиссу, 7 бит на экспоненту и 1 бит на знак) и состояла из 1400 реле. Для арифметического вычислителя потребовалось 600 реле, и еще 400 реле применялось в устройстве управления. Z3 выполнял не только 4 арифметических операции, но и вычисление квадратного корня, умножение на –1, 0,1, 0,5, 2 и 10. Скорость работы Z3 была примерно равна скорости работы американского компьютера Harvard Mark I, созданного в конце 40-х годов. Z3 выполнял 3-4 операции сложения в секунду и умножал два числа за 4-5 секунд, позволяя при этом обрабатывать числа с плавающей запятой более эффективно, чем

Одновременно Цузе занимался проектированием механических устройств дистанционного управления бомбами для повышения точности попадания в цель. Для создания модели требовалось провести очень большие вычисления, и он сначала сделал специализированный компьютер, выполнявший фиксированную последовательность операций. Затем он решил также автоматизировать работу оператора, занимавшегося вводом данных, и первым в мире сделал то, что сегодня называется аналогово-цифровым преобразователем.

Из-за небольшого объема памяти на Z3 нельзя было решать, в частности, системы линейных уравнений, а институту это требовалось. В 1941 г. Цузе решил разработать более мощную модель - Z4. Он понимал все минусы своей машины и хотел создать полноценный компьютер, которому, по оценкам самого Цузе, требовалась емкость памяти как минимум 8 тысяч слов. Но немецкое руководство ответило ему, что Германия так близка к победе, что компьютеры ей не нужны. Во время войны все практические работы в этой области полностью прекратились. По окончании войны Цузе на короткое время был арестован, но всю жизнь отрицал, что выполнял какие-то секретные работы для правительства.

После войны Цузе временно остался не у дел. Z3 был разрушен, Z4 не закончен, зарубежные компьютеры и еще не работали, и он занялся теоретическими исследованиями. Ему помогал математик Герр Лохмейер. Цузе попытался автоматизировать игру в шахматы, описать правила игры в терминах логических вычислений. Сразу возникли проблемы, хорошо известные сегодня специалистам по искусственному интеллекту, - не было подходящего инструментария для работы со сложными структурами данных. В 1945 г. Цузе создал первый в мире символический язык Plankalkul (термина “алгоритмический язык” еще не существовало) и технику трансляции адресов, кроме того, у него родились идеи использования подпрограмм с параметрами. В то же время Цузе придумал название своему устройству - логическая вычислительная машина.

В начале 50-х годов экономика Германии пошла на подъем. Цузе организовал фирму Zuze KG, построил машину Z11 и использовал ее для решения задач перепланировки земель, проектирования оптических приборов. Уже тогда возникли проблемы создания хорошего ПО. Затем Цузе построил Z22, которая поддерживала общие алгоритмы вычислений, могла работать с произвольными структурами данных, имела достаточный объем памяти и была популярна у многих немецких инженеров и ученых. Цузе полагал, что у него появятся заказы на расчеты от малых и средних компаний, но они тогда не очень нуждались в подобных услугах, и Zuze KG оказалась убыточной. Государственное финансирование работ в компьютерной области началось позже.

Цузе продолжал экспериментировать с различными вычислительными устройствами, сделал автоматическую рисовальную доску - первый прообраз современных CAD. В 1964 г. он предложил автоматическую систему управления крупными ткацкими станками. С 1966 г. Цузе стал работать в компании Siemens AG.

Одним из своих наиболее выдающихся достижений Цузе считал создание языка Plankalkul, который не был привязан к архитектуре и наборам команд конкретного компьютера в отличие от первых языков ассемблера.

В Plankalkul было введено понятие объекта. Объект мог быть примитивным, основанным на двоичных числах произвольной длины (при записи логической единицы Цузе использовал символ L; например, двоичное число 1001 записывалось как L00L), и составным (структуры, рекурсивно определяемые массивы произвольной размерности и т. д.). Битовый массив размерности [n][m] обозначался как n x m x S0. Индексация в Plankalkul всегда начиналась с 0. Разрешалось работать с подмассивами: для трехмерного массива V можно указать матрицу V[i] и вектор V[i][j]. Для описания переменной использовалась нотация S1 . n (n бит).

Plankalkul допускал использование значительно более сложных синтаксических конструкций. Десятичное число (0-9) определялось с помощью записи S1 . 4 (4 бита, значения от 0 до 15) с наложенным ограничением по диапазону. Структура из трех компонентов записывалась, например, как (A2, S1 . 4, A3), где объекты A2 и A3 определялись ранее. Для упорядочения сложных описаний в языке использовался специальный синтаксис.

В качестве идентификаторов переменных применялось сочетание “буква + число”. Первой буквой могла быть V (параметр ввода), Z (промежуточное значение), R (результирующее значение), C (константа). Программы и подпрограммы (параметры передавались по значению) трактовались как переменные (префикс P). Например, запись P3 . 7 означала вызов 7-й программы 3-й программной группы. Plankalkul предусматривал возможность работы массивов программ, что сегодня только реализуется в распределенных системах!

Цузе придумал оператор присваивания, для которого определил знак. На Цюрихской конференции по Алголу европейская группа хотела ввести в стандарт языка именно его, и только под сильным давлением американской группы, не заинтересованной в введении символов, не поддерживаемых в компьютерах США, согласилась на сочетание:=.

Plankalkul поддерживал мощные синтаксические конструкции и позволял компактно описывать сложные условные циклы. Правда, запись программы была “многоэтажной”, с верхними и нижними индексами, и походила на символические потоковые диаграммы, получившие распространение в США в 60-х годах. По мощности Plankalkul приближался к Алголу 68, но в отличие от него, в Plankalkul не поддерживалась адресная арифметика, что в целом повышало надежность программы. На Plankalkul было написано много самых разных невычислительных алгоритмов: обработки символьной информации, генерации шахматных ходов и др. В музее Retrocomputing museum (www.ccil.org/retro/) автору статьи сообщили, что в память о Цузе планируется сделать компилятор для Plankalkul.

Сегодня работы Цузе известны во всем мире. Он оказал несомненное влияние на развитие европейских компьютерных технологий. Его труды использовались при создании новых компьютеров и особенно при разработке первых алгоритмических языков программирования. Конрад Цузе получил множество наград и призов и заслужил международное признание. В последние годы жизни он занимался преимущественно рисованием. Любовь к изобразительному искусству Цузе сохранил, видимо, с тех пор, как двадцатипятилетним инженером рисовал многочисленные схемы своих первых компьютеров.

Конрад Цузе

Создатель первого программируемого цифрового компьютера

Первым, хорошо работающим прибором, была модель Z-3, чья конструкция была закончена в Берлине, в 1941 году, и которую я мог представить специалистам… Сегодня мы знаем, что эта модель была первым действительно действующим компьютером.

Конрад Цузе

Конрад Цузе

Один из мифов, касающийся начального периода истории компьютеров, обычно связывался с исследованиями и разработкой американских ученых и инженеров. Этот миф был разрушен в 1969 году, когда информация относительно компьютеров Цузе стала доступной в США и других странах.

Его отец, Эмиль Цузе, был почтовым чиновником, зарабатывал немного, но вместе с женой Марией Цузе, и сестрой Конрада - Лизелоттой, делал все, что мог, чтобы поддержать интерес сына к конструированию вычислительных машин. Надо сказать, что еще в детстве Конрад сконструировал действующую модель машины для размена монет. В 1935 году он окончил высшую техническую школу (Technische Hochschule) по специальности "гражданское строительство" и начал работать аналитиком в авиакомпании Henschel. Работая в этой компании, Цузе столкнулся с многочисленными нудными вычислениями, связанными с проектированием самолетов. В 1936 году, в возрасте 26 лет, он решил проектировать вычислительный прибор (компьютер), имея для этого накопившиеся идеи и квартиру родителей в качестве "мастерской".

Он собирался построить серию компьютеров, первоначально названных Versuchsmodell (экспериментальная модель). Первый Versuchsmodell, V-1, построенный в 1938 году, был полностью механическим, на 16 машинных слов и занимал площадь 4 кв. метра (восстановленная версия V-1 находится в музее Verker und Technik в Берлине). Серию Versuchsmodell Цузе рассматривал в качестве рабочего инструмента для инженеров и ученых, которые имели дело со сложными аэродинамическими вычислениями.

В начале войны, в 1939 году, Цузе был завербован в армию, но вскоре он и многие инженеры, подобные ему, были освобождены от военной службы и приписаны к инженерным проектам, поддерживающим военную немецкую мощь. Цузе направили в Германский авиационный исследовательский институт в Берлине.

Вернувшись в свой родной город, ученый продолжил совершенствовать серию Versuchsmodell в доме своих родителей, и в большей степени за счет своих собственных средств, хотя он работал в институте, который конструировал военные самолеты для Luftwaffe. Гельмут Шрейер, который сотрудничал с Цузе при создании компьютеров, предложил использовать электромагнитные реле для второго Versuchsmodell, V-2. Шрейер показал Цузе, как эти реле могут быть применены в структуре цифрового механического компьютера, разработанного Цузе. Шрейер, уехавший после войны в Бразилию, также рассматривал возможность применения вакуумных ламп для создания компьютеров, и в конечном счете им была разработана разновидность "триггерной схемы", сейчас широко используемой в компьютерной логике.

V-2 был, конечно, очень ненадежен, но один из редких случаев его нормальной работы случился тогда, когда Альфред Тейхман, ведущий ученый из Германского авиационного института, посетил дом Цузе, по его приглашению. Тейхман был специалистом по важнейшей проблеме самолетостроения - вибрации крыла. Он сразу понял, что машина, подобная V-2, может помочь инженерам решить эту проблему. Проблема вибрации "исчезла под нажатием пальца", позднее вспоминал Цузе.

Тейхман помог Цузе достать денег для его работ по созданию компьютеров, но Цузе продолжал работать в доме своих родителей и никогда не нанимал посторонний штат ассистентов. При помощи Шрейера Цузе завершил первый в мире полностью функциональный, программно-управляемый компьютер в конце 1941 года.

Этот третий Versuchsmodell получил название V-3. Он имел 1400 электромагнитных реле в памяти, 600 реле для управления вычислениями и еще 600 реле для других целей. Компьютер работал в двоичной системе счисления, числа представлялись в форме с плавающей запятой, длина машинного слова составляла 22 бита, объем памяти - 64 бита.

На операцию умножения V-3 затрачивал от трех до пяти секунд. Проблемой, наиболее часто решаемой V-3, было вычисление определителя матрицы (т. е. решение системы уравнений с несколькими переменными). V-3, очевидно, был первым компьютером, который использовал для записи арифметических выражений обратную польскую запись. Изобретение этой системы записи приписывается польскому логику Яну Лукасевичу, но Цузе не знал о вкладе Лукасевича, он просто заново изобрел "колесо", подобно многим другим ученым.

В период Второй мировой войны Цузе переименовал свои первые три компьютера в Z-l, Z-2, Z-3, соответственно, чтобы избежать путаницы с ракетами V-1 и V-2, разрабатываемыми Вернером фон Брауном для войны против Англии. Цузе всегда хотел сделать свои компьютеры серии Z для обшего назначения, но все-таки один компьютер стал специализированным - S-1, вариант Z-3, который, вероятно, поддерживал немецкую военную мощь.

Компьютер Z-3

Этот специализированный компьютер, S-1, помогал Henschel Aircraft Company производить летающие бомбы, известные как HS-293. Не так хорошо известная и широко используемая бомба фон Брауна HS-293 представляла собой беспилотный аэроплан, носимый наверху бомбардировщика. Пилот бомбардировщика ловил цель в поле своего зрения и сбрасывал HS-293, а экипаж бомбардировщика по радио управлял ее планированием к цели. HS-293 взрывала корабли войск союзников после августа 1943 года, а также разрушала мосты в Польше при отступлении немцев в 1945 году.

Компьютер S-1 надежно работал с 1942 по 1944 год на заводе Henschel в Берлине, рассчитывал размеры крыла и поворота руля высоты, важных для HS-293. Рабочие измеряли истинные размеры крыльев и рулей высоты; результаты этих измерений помещались в S-1, который затем вычислял угол отклонения HS-293 от прямой траектории, если эти части будут правильно собраны. Цузе развивал методы программирования своего компьютера, которые не требовали от программиста детального понимания внутренней организации компьютера. Он старался решить проблему, которую можно было назвать нехваткой ведущих мировых программистов, потому что война истощала людские ресурсы. Он попросил общество слепых выслать ему список слепых людей, которые проявили способности в математике. Из списка Цузе выбрал некоего Августа Фоста, который затем стал профессионалом в программировании.

Теперь, когда Z-3 получил признание, Цузе захотел построить еще более мощный компьютер. Он представлял его с большим объемом памяти на 500 чисел и с 32-битным машинным словом. Z-4 был наиболее сложным компьютером Цузе. Он мог складывать, умножать, делить или находить квадратный корень за 3 сек. В это время Цузе уже имел поддержку немецкого военного командования для строительства компьютеров общего назначения, хотя министерство авиации, которое заказывало компьютер, было заинтересовано в компьютере только для вычислений, связанных с проектированием самолетов. К 1942 году Цузе основал фирму "Zuse Apparatebau". Большую часть войны он работал один, но к концу войны под его руководством трудились 20 сотрудников. После немецкого поражения в феврале 1943 года под Сталинградом Цузе стал убежденным сторонником того, чтобы война закончилась. Его компьютеры могли бы пригодиться для мирных целей. Но жизнь была неустойчива, и он не мог быть уверен - останутся ли его машины "в живых". Союзники бомбили Берлин каждый день. Z-3 был разрушен, a Z-4 перед побегом из Берлина в марте 1945 году Цузе пришлось перевозить три раза по городу, чтобы избежать бомбардировок, что нарушило работоспособность прибора.

Цузе позволили покинуть Берлин в последние месяцы войны. В марте 1945 года он и его ассистент перевезли демонтированный Z-4 поездом до Геттингена, 100 миль на запад. По приказу правительства его оборудование следовало отвезти в подземные фабрики около Нортхейма, но после первого посещения концлагерей Цузе отказался. Он поселился возле гор, в мирной баварской деревне. Цузе предлагали уехать из Германии и переехать в Англию или в США. Тогда он мог бы строить компьютеры для англичан в течение послевоенных лет. Но он остался в Германии. Он жил в Хинтерштейне до 1946 года, причем его оборудование было спрятано в подвале фермы.

В 1946 году Цузе переехал в другую альпийскую деревню, Хопферау, около австрийской границы. Там он прожил три года. Было время подумать. Разработка аппаратного обеспечения после войны приостановилась, и Цузе вернулся к программированию.

В 1945 году он разработал то, что назвал первым языком программирования для компьютеров. Систему программирования он назвал Plankalkul ("исчисление планов"). Цузе написал небольшое эссе, где рассказал о своем творении и возможности его использования для решения таких задач, как сортировка чисел и выполнение операций в двоичной арифметике. Научившись играть в шахматы, Цузе написал несколько фрагментов программ на Plankalkul, которые позволяли компьютеру оценивать шахматные позиции.

Многие идеи языка Plankalkul остались неизвестными целому поколению программистов. Только в 1972 году работа Цузе была издана целиком, и эта публикация заставила специалистов задуматься над тем, какое влияние мог бы оказать Plankalkul, будь он известен раньше. "Видимо, все могло обернуться совсем иначе, а мы живем не в лучшем из миров", - заметил по этому поводу один ученый, критикуя языки программирования, появившиеся позднее.

В 1948 году профессор Е. Стейфил из технического университета в Цюрихе заказал у Цузе компьютер Z-4 для своей лаборатории. А в 1949 году Цузе основал маленькую компанию, названную ZUSE KG, которая должна была разрабатывать компьютеры для научных целей. Она просуществовала до 1966 года, когда ее приобрела фирма Siemens AG, но Цузе остался в новой фирме внештатным консультантом. В 50–60 годах Цузе были созданы новые компьютеры на реле Z-5 и Z-11, затем вместе с Фроммом и Гюнчем он создает Z-22 на электронных лампах и Z-23 - на транзисторах. Одной из последних его разработок были компьютеры Z-25 и Z-31, а также графомограф Z-64 для автоматического построения чертежей и карт. Он написал книгу "History of Computing", изданную на немецком и английском языках.

В последние годы Цузе жил в деревне Хессиан в нескольких часах езды от Франкфурта и любимым его занятием стала живопись, в основном абстрактная. Его работы демонстрировались на многочисленных выставках. Некоторые из своих картин он подписывал псевдонимом "KONE SEE".

18 декабря 1995 года Конрада Цузе не стало. Его заслуги, как одного из родоначальников компьютерной эры, неоспоримы.